Во время Крымской войны 1854–1855 гг. командовал дивизионом из четырех канонерских лодок в Рижской флотилии. В 1855 г. переведен в Гвардейский экипаж с назначением адъютантом управляющего Морским министерством барона Ф.П. Врангеля. Одновременно командовал пароходом «Фонтанка», а в следующем году – вахтенный начальник на винтовом корвете «Боярин», где командовал герой Севастопольской обороны капитан 1-го ранга М.А. Перелешин. С июня 1857 г. состоял вахтенным начальником на винтовом корвете «Вепрь», на котором совершил переход из Балтийского моря в Черное. 26 сентября 1858 г. награжден орденом Св. Станислава III степени.

В 1859 г. назначен в Аральскую флотилию к адмиралу А.И. Бутакову, где командовал 2-пушечной баржей и сначала сопровождал посольство Н.П. Игнатьева в Хивинское ханство, а затем поддерживал высадку отряда М.Г. Черняева, отправленного в помощь хану, осаждавшему восставший Кунград. За отличие в этом походе награжден орденом Св. Анны III степени.

По возвращении из Средней Азии в 1860 г. назначен адъютантом к генерал-адмиралу великому князю Константину Николаевичу.

17 октября 1860 г. вместе с капитан-лейтенантом А.Е. Кроуном командирован в Лондон для приемки построенной там винтовой лодки «Морж», на которой, будучи старшим помощником Кроуна, совершил переход из Лондона вокруг Африки до Николаевска-на-Амуре.

1 января 1862 г. за отличное совершение этого плавания произведен в капитан-лейтенанты, а 19 июня назначен флаг-капитаном при начальнике эскадры контр-адмирале А.А. Попове и совершил переходы в Японию, в русские владения на Аляске и в Сан-Франциско. Из последнего порта отправился курьером через Панамский перешеек в Нью-Йорк к великому князю Константину Николаевичу, откуда предстояло возвращение в Европу (вот и исполнилась детская мечта о кругосветных путешествиях!).

В конце 1862 г. Д.С. Арсеньев прибыл в Варшаву и 1 сентября награжден орденом Св. Станислава II степени. В феврале 1863 г. командирован в Пруссию для покупки парохода «Висла» и для заказа шести больших шлюпов, предназначенных для учреждения флотилии на реке Висле.

Во время польского восстания 1963 г. Арсеньев находился в Царстве Польском при великом князе Константине Николаевиче. С 1864 по 1885 г. он состоял сначала воспитателем, а затем попечителем великих князей Сергея и Павла Александровичей.

В 1865 г. 3 апреля награжден орденом Св. Анны II степени, а 19 апреля пожалован званием флигель-адъютанта. С 6 мая того же года состоял действительным членом Русского географического общества.

В 1866–1870 гг. последовали производства в капитаны 2-го и 1-го рангов и награждения орденами Св. Владимира IV и III степеней.